An ensemble downscaling prediction experiment of summertime cool weather caused by Yamase

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ひできかやぬま
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1 ヤマセによる冷夏をターゲットにしたアンサンブルダウンスケール予報実験東北大学福井真

2 1. Introduction

1.1 ヤマセ海洋性極気団を起源とした冷湿な北東風 => 水平規模 ~1000 kmの現象

3 1.1 ヤマセ海洋性極気団を起源とした冷湿な北東風 => 水平規模 ~1000 kmの現象 (Kodama et al. 2009) 冷夏となり農作物に大きな被害 ( 冷害 ) をもたらすことも => 重要な中期予報の対象背が低く複雑な地形の影響を大きく受ける ( 工藤 1984, Ninomiya and Mizuno 1985 ) => 力学的ダウンスケールが有効? 等値線 : 海面更正気圧陰影 : その平年偏差 (JRA/-25/JCDAS より ) 矢印 : 地上風 (MANAL) 陰影 : 可視画像 (GOES-9) 日平均気温 (AMeDAS) Fig. 1 典型的なヤマセ日 (24 June 2003)

4 1.2 目的力学的ダウンスケールによる予報の誤差の要因 1. 初期値と境界値 ( 全球モデルの予報結果 ) => 全球アンサンブル予報を用いる 2. 力学的ダウンスケールモデル => バイアス補正を行うアンサンブルダウンスケールシステムを構築しヤマセによる影響を予報するための有効性を地上気温に着目して検証を行う

5 2. Design of system

6 2.1 Overview of the system global ensemble GSM GSM GSM GSM ensemble downscaling dx=25km dx=25km dx=25km dx=25km dx=5km dx=5km dx=5km dx=5km filter based on EOF filter based on EOF filter based on EOF filter based on EOF filter based on EOF

7 2.2 アンサンブルダウンスケールモデル JMA- (Saito et al. 2007) 水平解像度格子数 25km (100 80) 5km (80 100) 初期値境界値 1-month ensemble hindcast* result of downscaling (dx = 25km) (GSM TL159L60 interpolated to 1.25 ) アンサンブルサイズ 9 鉛直座標 40 levels (40-840m) 地形に沿うハイブリッド座標 SST NOAA-OISST Ver. 2 (daily, dx =0.25 ) 計算期間は年の 6/20 6/30 7/10 7/20 を初期値とするやませシーズン計28事例 *気象庁気候情報課の提供

8 2.2 アンサンブルダウンスケールモデル JMA- (Saito et al. 2007) 水平解像度格子数 25km (100 80) 5km (80 100) 初期値境界値 1-month ensemble hindcast* result of downscaling (dx = 25km) (GSM TL159L60 interpolated to 1.25 ) アンサンブルサイズ 9 鉛直座標 40 levels (40-840m) 地形に沿うハイブリッド座標 SST NOAA-OISST Ver. 2 (daily, dx =0.25 ) 計算期間は年の 6/20 6/30 7/10 7/20 を初期値とするやませシーズン計28事例 *気象庁気候情報課の提供 AMeDAS 129点

9 アンサンブルハインドキャストデータ Fig.2 再解析 JRA-25/JCDAS に対するハインドキャストの結果北半球中高緯度 (20 N~90 N) の 500hPa ジオポテンシャル高度 2000~2006 年 6/20 6/30 7/10 7/20 初期値の 28 事例平均

10 2.1 Overview of the system global ensemble GSM GSM GSM GSM ensemble downscaling dx=25km dx=25km dx=25km dx=25km dx=5km dx=5km dx=5km dx=5km filter based on EOF filter based on EOF filter based on EOF filter based on EOF filter based on EOF

2.3 バイアス補正１ダウンスケールのバイアスを取り除く 1. 再解析値JRA-25/JCDASのダウンスケール結果とAMeDASによる観測との差を求める 2.

11 2.3 バイアス補正１ダウンスケールのバイアスを取り除く 1. 再解析値JRA-25/JCDASのダウンスケール結果とAMeDASによる観測との差を求める年の6月20日 8月5日の期間で観測点ごとに上で求めた値を平均したものをバイアスと定義 Fig. 3 Downscaling (The left is for d𝑥=25km. The left is for d𝑥=5km)

12 2.1 Overview of the system global ensemble GSM GSM GSM GSM ensemble downscaling dx=25km dx=25km dx=25km dx=25km dx=5km dx=5km dx=5km dx=5km filter based on EOF filter based on EOF filter based on EOF filter based on EOF filter based on EOF

2.4 バイアス補正２予報システム全体のバイアスを取り除く 1. ハインドキャストのダウンスケールのアンサンブル平均と AMeDASによる観測との差を求める 2.

13 2.4 バイアス補正２予報システム全体のバイアスを取り除く 1. ハインドキャストのダウンスケールのアンサンブル平均と AMeDASによる観測との差を求める年の6/20 8/5の期間で観測地点ごと予報時間ごとに1で求めた値を平均したものをバイアスと定義 Fig. 4 Forecasting system (The left is for d𝑥=25km. The left is for d𝑥=5km)

14 3. Results

15 3.1 バイアス修正 (1) の効果 Fig. 5 日平均気温のRMSE (28ケースの平均) 破線 : バイアス修正前実線 : バイアス修正後

16 3.2 バイアス修正 (2) の効果 Fig. 6 日平均気温の RMSE (28 ケースの平均 ) 細破線 : バイアス修正前細実線 :DS バイアス補正後太実線 : バイアス修正後

17 3.3 アンサンブルダウンスケールの効果 Fig.7 バイアス補正後のアンサンブル平均の RMSE( 左列 ) と摂動なしに対する改善率 ( 中央 ) とスプレッド ( 右列 ) (28 事例平均 ) 上段は領域平均値に対するもの下段は領域平均からのずれに対するもの

18 3.4 アンサンブルダウンスケールの効果 Fig. 8 典型的なヤマセ日における地上気温スプレッド [K] 左図は水平解像度 25km. 右図は水平解像度 5km. (averaged 00~06 UTC 24 June 2003; 予報 4 日 )

19 3.4 アンサンブルダウンスケールの効果 Fig. 9 典型的なヤマセ日における下層雲量のスプレッド (shade) と地上気温のスプレッド (contours) [K] 左図は水平解像度 25km. 右図は水平解像度 5km. (averaged 00~06 UTC 24 June 2003; 予報 4 日 )

20 3.5 EOF 分解信頼性のある EOF モードを取り出す 1. 5km 領域内の AMeDAS に対し EOF 解析を行い代表的なモードを取り出す期間は 21st June to 05th August in 取り出したモードに観測及び予報結果を射影 Fig. 10 The normalized EOF mode estimated from observation. (consistent with the result of Takai et al. (2006) )

21 3.5 EOF 分解 Fig.11 第 1EOF モードへの射影 ( 予報と観測の相関と回帰係数 ) ( -corrected forecast vs observation ) 相関係数は解像度に依存しない => 東北地方全体の傾向は解像度 100 km程度の全球モデルでも予報できるダウンスケールにより回帰係数が 1 に近づく => 気温のコントラストの強弱をより適切に捉えるようになる

22 3.5 EOF 分解 Fig.12 第 2EOF モードへの射影 ( 予報と観測の相関と回帰係数 ) ( -corrected forecast vs observation ) 相関係数は解像度に依存しない => 東西の気温パターンが出現することは解像度 100 km程度の全球モデルでも予報できるダウンスケールにより回帰係数が 1 に近づく => 東西コントラストの強弱をより適切に捉えるようになる予測可能性は 5 日程度

23 3.5 EOF 分解 Fig.13 第 3EOF モードへの射影 ( 予報と観測の相関と回帰係数 ) ( -corrected forecast vs observation ) 予報 2 日以降は相関係数回帰係数ともに小さい予報が難しい ( 信頼性の低い ) シグナルと考えられる

24 3.5 EOF 分解 Fig.14 第 4EOF モードへの射影 ( 予報と観測の相関と回帰係数 ) ( -corrected forecast vs observation ) ダウンスケールにより相関係数回帰係数ともに改善予測可能性は 5 日程度

25 4. Summery

26 4.1 まとめアンサンブルダウンスケールシステムを構築し地上気温に着目した検証を行いヤマセに関する予報への適応可能性について調べたダウンスケール後バイアス補正を行うことで改善アンサンブル平均をとることで RMSE が control-run( 摂動なし ) に対して軽減解像度を上げることでスプレッドが増加しアンサンブル平均をとることによる改善幅が増加 ( 確率的に捉えられる ) 解像度を上げることによる気温のスプレッドの増加の一因に典型的なヤマセ日において放射の計算に関係する下層雲量のスプレッドが増加が挙げられる EOF 解析によりヤマセと関係が深い第 2 モード ( 東西コントラストパターン ) に関してはダウンスケールにより予報が可能となった ( 予測可能性は 5 日程度 ) 予報可能性は親モデルに依存

背景ヤマセと海洋の関係図 1: 親潮の流れ ( 気象庁 HP より ) 図 2:02 年 7 月上旬の深さ 100m の水温図 ( )( 気象庁 HP より ) 黒潮続流域親潮の貫入ヤマセは混合域の影響を強く受ける現象ヤマセの気温や鉛直構造に沿岸の海面水温 (SST) や親潮フロントの影響

背景ヤマセと海洋の関係図 1: 親潮の流れ ( 気象庁 HP より ) 図 2:02 年 7 月上旬の深さ 100m の水温図 ( )( 気象庁 HP より ) 黒潮続流域親潮の貫入ヤマセは混合域の影響を強く受ける現象ヤマセの気温や鉛直構造に沿岸の海面水温 (SST) や親潮フロントの影響大気再解析データで表現されるヤマセ - モデルによる SST の違いと解析された気温への影響 - 弘前大学大学院理工学専攻佐々木実紀背景ヤマセと海洋の関係図 1: 親潮の流れ ( 気象庁 HP より ) 図 2:02 年 7 月上旬の深さ 100m の水温図 ( )( 気象庁 HP より ) 黒潮続流域親潮の貫入ヤマセは混合域の影響を強く受ける現象ヤマセの気温や鉛直構造に沿岸の海面水温